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1、C9 8 0 1 ( 5 电喷发动机喷嘴特性试验台研制 上海 铁道大学 寇志峰戚文星 上 海 交 通 大学 卓 斌 【 摘要】 电控喷油器是电喷汽车发动机的最关键零部件之一，它本身的性能参数以及它与发 动机匹配情况的优劣将直接影响到发动机的工作情况与各项性能指标。由于电控喷抽器本身继电 器式的结构决定了影响它的动态流量特性的参数有工作电压，工作油压，供油脉宽，喷射频率和 针阀的开启时间，即喷油延迟时间等. 本文中利用MC S -5 1 系列单片机作主控制器构成一主从式计算机控制系统.实现对车用发 动机电控喷油器的电压，油压，脉宽，频率，喷射次数等工作参数的控制，可有效的侧出喷抽器 各工况下的动
2、态沈I t 特性，针阀开启时间，即喷油延迟等工作参数. 关盆词:电控汽油喷射 ( E F I )喷油器试验台 0 . 引言 汽车的发明与发展为人类带来了福利，同时也带来了严重的社会问题，其中以环境污染 最为突出.同 时又随 着世界能源危机的 出现和人机工程学的发现，以电子技术和 计算机技术 应用为鲜明特色的汽车发动机电控汽油喷射技术得到了迅猛的发展。 实现电子喷射最关键的零部件就是电控喷油器，即电控喷嘴.在它的实际生产以及与发 动机的匹配过程中，相应的检测设备是个关键，我国目前尚无法生产.本课题即根据当前上 海汽车工业发展的需要，立为上海市科委科技基金项目之一。 一、喷油器的特性及物理模型 喷
3、油器的结构 实质是 一继 电器 ，它的电磁线 圈所产生的吸引力为: _1 0 、， r 二S 7 L ” 了 %rv 式中B a 为气隙中的磁感应强度，单位为特斯拉;S 。 为气隙面积，单位为米2 ， 又因 氏二kI N、 可得: F = 婴 . (。 . I “ N ) - S 。 一 婴 (。 V N ) “ S a o w o n入 。 式中的N为 磁导率， I 为线圈中 通过的电流 ( A ) , N为 线圈匝 数， V为喷油器工 作电 压，R , 为线圈内阻. 由上式可知，如喷油器结构一定时。电磁线圈所产生的吸引力与喷嘴工作电流之平方成正 比。即只有喷嘴工作电流足够大时才能克服弹簧力
4、将针阀开启. 由喷 油器的结构和工作过程可知， 其物理模型为R L 电路，如图 ( 1 )所示 7 5 1 当开关K闭合时 ( t =o ) ，电路即与一恒定电 压为v的电压源接通.此时实为输人 一阶跃 R ，。 也 ， 、 二 ， 、1 _ ， ， 。 ， . ，d 1 甩 上 胜。风 风万 刀 在 刀 二 V = 1 长 十 L .， 下 ， 一at L 口 图 1 ，、 二 * ，、 。 .V、 _ J 、_ ， _ 工八t p j w刀 1 = n I t -e “ ) T =L/ K,盯同罕 1 、 数. 电流I 的 变化 规律为 t(bot(ms) 奋 一 一一 今 丁 V /R
5、A t 图 z 由图中 易知，喷嘴工作电 压V 加上后。线圈内 通过的电流不能马上达到V / R .阶跃电压v 加上后需经过时间t 才能使针阀开启故工作电压持续时间 T 八 t 时才能使针阀有效 开启，通过控制时间T来观察喷嘴的喷油情况，则可得出喷嘴之开启时间 t 。其中 1。，V t i t = .I n( _ _ - - _ T、V一尺 . 1 c 可知。工作电压V的大小对于喷嘴的开启时间有直接的关系。 从匹配角度来看， 喷嘴最重要的 特性就是其流 量特性. 它是指电 控喷油器在一定的工作 电压、一 定的供油压力下以某一特定频率喷油，其喷出的油量与喷射脉冲之间的关系.这 个 性能可作为 衡
6、量与发动机匹配的重要依据 在发动机工作的供油量程范围内， 要求喷油器具 有较好的线性度，尤其是要求有较好的低端线性度，以保证喷油器能在发动机低速、小负载 下工作稳定，有足够精度. 二、试验台的硬件构成 综上论述可知，喷油器最主要的特性就是其流量特性，通过控制 其供油压力、喷射时间 和喷射频率，便可以用重量法测出其喷油器。从而得出在某一供油压力 P下的流量特性; 在一定的燃油压力和足够的供油脉宽T下。通过改变其工作电压人小来观察喷油器喷油与 否便可测出其工作电 压值V u ; 在一定的燃油压力下，通过改变其工作电压 大小和供油脉宽T , 观察喷油器喷油与 否，可 得出 喷嘴 在不同电 压下的开启
7、时间A t ( A t 为A t 加上针阀机械动 7 5 2 作时间) ， 这便是本试验台的设计思路。如图 ( 3 )所示为试验台的系统构成 广一 一一 一一电 压控侧 油压控 制 国 喷嘴 主控电路 脉 宽 控 “ 一 柳 称 量部分喷 射次数 喷射颁 率 图 3 其中电压控制、 油压控制各有一套独立的单片机系统来构 成， 其余控制 部分均由 一主控 单片 机系统来完成.两个从机与主控机之间的 联系采用串 行通讯方式. 主控单片机的功能为: ( 1 )接收键盘输人的控制数据，并在显示器上显示出来; ( 2 )向油压控制器发出控制指令 ( 串行数据) ; ( 3 )向电压控制器发出控制指令 (
8、 串行数据) ; 控制电控喷油器的喷油脉宽、喷油频率和喷射次数. 鉴于以上所述对主控器的功能及要求.根据 MC S 一 5 1 系列 C P U 自身的资源和特点，进 行合理的I 妇 扩展设计，如图4 为其系统方案. 其中的8 2 7 9 为键盘显示器扩展接口芯片 ，2 7 6 4 为8 K B 的E P R O M, 6 2 6 4 为8 K B的 R A M， 喷嘴控制与驱动采用光 祸隔 离芯片， 有效防止了电 干扰. 油压控制器的功 能为: ( 均 接收主机发出的控制指令 ( 串行数据) ; ( 2 )采样喷油器工作油压值 ( 采样并用A / D转换) ， 并根据实际值和控制值发出 步进
9、 7 5 _ 电机控制指令; ( 3 )调节稳定的油压输送给喷油器。 在油压控制器中 设计了 一步进电 机控制的溢流阀 式的 结构。 用滋流阀 芯的 上下位置来调 节阀口 的端口 开度，从而控制流量以达 到控制油 压之目 的. 阀芯位置的上下移动由步进电机 来驱动;在下部油腔内 装一压力传 感器随时 控制 油压大小以 达到闭 环控制之目 的。如图5 所 小 : i12fft毛 翼 之立IRAao3t o itf*NL KRA1U8fa . Cj 轴 出 图5 电压控制器的功能为 ( 1 )接收主机发送的电压控制指令 ( 串行数据) ; ( 2 )采样喷油器两端供给电压 ( 采样并AD转换) ，
10、根据实际值与控制值情况发送电压 控制信号给电压调节器; 电压调节器调节好的电压输人到主控机，由主控机中的喷嘴开关控制电路控制其开关动 作.如图6 所示电压控制方案. 主 控电路电压 调节器 厂 一 一 一 门 1参 考 电 压 W 3 5 1 4 调压 电路 丁卜. 1币 wM 刁 让 。 出 医鲤- A D C 采 样 保 州匕 采样 。转 换 _ _ _ _ 图 6 三、串行通讯 系统的主机与从机之间利用 R S 2 3 2 C电平通讯方式，有效的保证了信号的传输不受干 扰.其中利用了MC1 4 8 8 , MC 1 4 8 9 两芯片进行T T L与RS 2 3 2 C电平之间的转换 要
11、保证主机与从机之间的可靠的通讯，必须保证通讯接日有识别功能，而串行口控制器 S C ON中的控制位S M2 就是为满足这一要求而设置的.当串行口以方式 2 或 3工作时，发 送和接收的信息均为1 1 位、 其中 第9 倍是可偏移位.通过对T B 8 赋予 I 或0 以区 分发送的 为地址帧还是数据帧。若从机控制位S M2 = 1 ， 则当 接收的 是地址帧时， 数据装人S B U F ， 并 置R 1 =1 向C P U请求中断，若接收的为数据帧，则不产生中断标志，信息将抛弃.若 S M2 = 0 ， 则无论是地址帧还是数据帧都产生RI 二1 中断标志，将数据装人S B UF中. 7 5 4
12、四、系统的软件设计 在主控系统的主 程序设计中， 键盘， 显示器接口 用I N T O ， 对应于软件设计即键盘 显 _ 示模块也是以中 断方式设计中断服务子程序 串 行通讯因 采用了主从式系统，主控系统中 采 用查询方式，从机系统中采用中断方式，这样更方便于编程对于定时器T O用干计量脉 宽， 初值设定为#0 5 H ， 以方 式2 工作、当脉宽 2 5 0 m s 时可精确到士2 p s , 脉宽 2 5 0 m 时， 输人之脉宽值必须为5 之 倍数 定时器T I 用于 计量频率，当F =1 - 9 H Z 时，工作于方 式2 ， 初值设定为#0 5 H ; 如F =1 0 - 9 9 9
13、 H Z时， T I 工作于方式 I ， 初值依频率而变.可精确 计时， 在软件设计中采用了软件冗余、软件陷进技术，有效提高了可靠性。 五 、结论 本试验台从软件与硬件上均采用了模块化结构，既有效缩短了开发周期又提高了系统的 可靠性和易维护 性.同时 在整 个系统 不需作大变动的情况下就可轻而易举的再 加人其它控制 模块. 在电压调节部分中，采用单片机与开关电源技术相结合实现了数控开关稳压源既有开 关电源的稳定性好，体积小之优点，又有单片机灵活方便的数控特性 在抽压调节部分中，采用单片机作控制器，步进电机带动溢流阀式结构作执行器，再配 以信号采集环节构成的闭环控制系统具有反应灵敏、调节压力稳定之优点， 多次进行的实验证明，该实验台工作可靠、灵敏度高，可有效进行喷油器的流量测试 为喷油器的出厂检测以及它与发动机的匹配提供了有效的测试保证。 参考文献 (1 )孟建军等。汽油机嫩油喷射系统试验装置，内 燃机:1 .V. 1 9 9 2 . 4 , V o l .1 3 刀 孙 虎章 主编， 自动控制 原理， 中央广播 电视大 学出版社 .1 9 9 2 . ( 3 )张惠等著.电像大全.西南交通大学出 版社，19 9 3 .6 . 幻 李 华主编 . MC s - 5 1 系列 单片机 实用接 G技术 ，北京航 空航天大 学出版 社。 1 9 9 3 .8 . 7 5 9
